CN211826603U - 光波导、显示装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光波导、显示装置及电子设备，所述光波导包括：耦入区，用于耦入预设视场方向的光束；传递区，包括N个波导层，用于传播经所述耦入区耦入的所述光束，其中N≥2；耦出区，用于出射经所述传递区传播的所述光束；其中，所述传递区设置于所述耦入区与所述耦出区之间的光路上，所述N个波导层间设置有N‑1个不同角度选择的角度选择膜，所述N‑1个不同角度选择的角度选择膜选择性反射或透射所述光束使所述光束经所述耦出区同一位置出射。本实用新型能够实现传播周期的一致，达到优良的显示效果。

Description

光波导、显示装置及电子设备

技术领域

本实用新型涉及光波导技术领域，尤其涉及一种光波导、显示装置及电子设备。

背景技术

已有技术中，头戴式显示设备采用平面光波导作为显示器件，包括衍射光波导、阵列光波导等。衍射光波导通过耦入光栅，将输入光耦入波导中进行全反射传输，随后，经耦出光栅实现出瞳扩展和光线耦出，在增强现实显示技术中，出瞳扩展的次数将直接影响使用者的观看效果。然而，在全反射过程中，不同角度的光线的传播周期不一致，由此导致与耦出光栅的作用次数形成差异。所以，不同角度光栅的出瞳扩展次数可能存在较大的差异，从而影响最终显示效果。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种光波导、显示装置及电子设备，其能够实现传播周期的一致，达到优良的显示效果。

本实用新型提出一种光波导，包括：耦入区，用于耦入预设视场方向的光束；

传递区，包括多N个波导层，用于传播经所述耦入区耦入的所述光束，其中N≥2；耦出区，用于出射经所述传递区传播的所述光束；其中，所述传递区设置于所述耦入区与所述耦出区之间的光路上，所述N个波导层间设置有N-1个不同角度选择的角度选择膜，所述N-1个不同角度选择的角度选择膜选择性反射或透射所述光束使所述光束经所述耦出区同一位置出射。

在一些实施例中，所述N个波导层分别用于调控所述光束的传播周期使所述光束的传播周期一致。

另一些实施例中，所述耦入区和所述耦出区包括衍射光栅或衍射光学元件。

再一些实施例中，所述耦入区和所述耦出区设置于所述传递区的外表面和/或内表面。

又一些实施例中，所述耦入区和所述耦出区设置于所述传递区的同一表面或不同表面。

在一些实施例中，所述角度选择膜为介质膜，所述介质膜包括氟化镁。

在一些实施例中，所述传递区的波导层还设置有基材，所述基材包括具有全反射临界角的光学玻璃或光学树脂材料。

本实用新型还提供一种显示装置，包括如上的光波导。

在一些实施例中，显示装置还包括显示引擎，所述显示引擎用于向所述光波导的所述耦入区入射具有预设视场角的入射光束。

本实用新型还提供一种电子设备，包括如上所述的显示装置。

本实用新型的有益效果：通过设置由一层或多层角度选择膜形成的光波导，将耦合到波导中的光束根据不同的入射衍射角度分为多个方向的光束，通过角度选择膜的角度选择条件，使得不同方向的光束的有效传递厚度不一致，由此补偿传播角度不同的传播周期差异，实现光传播调控从而达到传播周期一致性。同时，经传播一致性调控的光线，由于光束出射的位置一致，将极有利于基于角度选择膜的光波导结构的各区域光栅结构优化，从而达到更优良的显示效果。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例提供的一种光波导结构示意图。

图2为根据本实用新型实施例提供的角度选择膜曲线原理图。

图3为根据本实用新型实施例提供的一种基于角度选择膜的显示装置示意图。

图4为根据本实用新型实施例提供的一种光传播调控原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步详细说明，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示本实用新型中有相关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

图1为根据本实用新型实施例的一种光波导结构示意图。光波导100包括耦入区101、传递区102和耦出区103。耦入区101用于耦入预设视场方向的与输入图像相关联的光束，传递区102，包括N个波导层，用于传递经耦入区101耦入的光束至耦出区103，其中N≥2；耦出区103是光束输出端，用于出射经传递区102传播的光束，其中，传递区102设置于耦入区101和耦出区103之间的光路上，波导层间设置有N-1个不同角度选择的角度选择膜，N-1个不同角度选择的角度选择膜可以选择性反射或透射所述光束使光线经耦出区103同一位置出射。光波导100可以是头戴式显示设备，如AR设备、抬头显示器等。

在一个实施例中，耦入区101和耦出区103可以是光栅周期为几百纳米的衍射光栅，如平面光栅、闪耀光栅、或体全息光栅等，还可以为衍射光学元件(DOE),使入射光分离并改变方向，分离(称为光学阶数)和角度变化取决于衍射光栅的特性。一般地，耦入区101的范围为入瞳范围，耦出区103的范围为出瞳范围，此外，耦出区103与传递区102一起构成出瞳扩展区，以扩展光束出瞳范围。在一个实施例中，耦入区101和耦出区103的尺寸可根据光学系统的出瞳尺寸和特性决定。

在一实施例中，如图3所示，耦入区301可以设置在传递区302的外表面和/或内表面(如图中虚线所示)，耦出区310可以设置在传递区302的外表面和内表面(如图中虚线所示)，此外，耦出区310与耦入区301既可以设置在传递区302的同一表面，也可以设置在传递区302的不同表面(即相对的表面)，根据具体需求进行设置，此处不做限制。耦入区301和耦出区310设置于传递区302的相同表面时，可以统一设置于该表面的外表面，也可以统一设置于该表面的内表面，还可以分别设置于该表面的外表面和内表面。在其他实施例中，耦入区301与耦出区310中的至少一个可以与传递区一体设置，也就是说，耦入区301和耦出区310为传递区302的一部分光学结构。

图2为角度选择膜的曲线原理图。角度选择膜是一种具有选择性反射特性的光学膜，可以对某个特定角度和波长的入射光束区别对待，即对某个特定范围的角度和波长的入射光束进行反射，其他角度的角度和波长的入射光束透射。在一个实施例中，当入射光束波长一定时，针对不同角度的入射光束，基于角度选择膜的光波导具有不同的反射率，其中，当入射光束以30°的入射角度入射具有角度选择膜的波导时，入射角度小于或等于30°的入射光束将发生反射，对于入射大于30°的入射光束完全透射，因此实现了角度选择膜的光束选择作用。光波导100设置有多层波导层，波导层间镀有不同反射率的角度选择膜，角度选择膜可根据满足全反射的条件，在不同的波导层间选择性反射和透射光束，即角度选择条件，将入射光束经耦出区102的同一位置出射，以调控光束的传播周期使光束的传播周期一致。

在一个实施例中，角度选择膜为介质膜，介质膜的材料为氟化镁等。角度选择膜包括一层以上，其镀膜方式包括磁控溅射、电子束蒸发、气相沉积以及化学镀膜方式，应当理解的是，角度选择膜材料、层数和镀膜方式均可根据入射光束的具体波长和具体需求进行设定，此处不做限制。

图3是根据本实用新型实施例的一种基于角度选择膜的显示装置。图3包括：被示出为面向光波导300的前侧表面311的显示引擎10，以及光波导300。其中，耦入区301、耦出区310设置于光波导300的前侧表面311的外表面。显示引擎10发射光束至光波导300，从耦入区301衍射后射入传递区302，经过反射后，从耦出区310同一位置出射。

在一个实施例中，显示引擎10包含照明器11、图像形成器12和准直透镜13，但不限于此。图像形成器12可以使用透射投影技术实现，其中光源由光学活性材料调制，并且背光用白光，这些技术通常用具有强大背光和高光密度的液晶显示器(LCD)型显示器来实现。照明器11可以提供上述背光。图像形成器12也可以使用反射技术来实现，其中，外部光由活性材料反射和调制。单独或照明器11组合的图像形成器12也可以称为微显示器。准直透镜13被设置为从图像形成器12接收发散显示图像，以准直、汇聚显示图像，并将准直图像朝向光波导300的耦入区301发射，以衍射至传递区302。在一个实施例中，与光波导300相关的入射光瞳的大小可以与图像形成器12相关联的出射光瞳大小相同，也可以更小，可以根据具体需求，合理设计，此处不做限制。

在一个实施例中，显示引擎10发射具有对应FOV相关联的图像信息的光束至耦入区301，光束经耦入区301耦合至传递区302，根据光束通过耦入区301衍射至传递区302的角度，可以分为不同方向的光束，不同方向的光束在角度选择膜的作用下，在传递区302不同的波导层中进行全反射传播，组合在传递区发生全反射的不同方向的光束，并从耦出区310同一位置出射光波导300。在本实施例中，传递区302包括第一基材303、第一角度选择膜304、第二基材305、第二角度选择膜306、第三基材307、第三角度选择膜308、第四基材309。一般地，第一基材303、第二基材305、第三基材307以及第四基材309包括具有全反射临界角的光学玻璃或光学树脂材料(如BK-7玻璃)。需要说明的是，第一基材303与第一角度选择膜304构成第一波导层，第二基材305与第二角度选择膜306构成第二波导层，第三基材307与反射型第三角度选择膜308构成第三波导层。第一角度选择膜304、第二角度选择膜306、第三角度选择膜308的结构由不同方向的入射光束的光束衍射角所决定。

需要说明的是，光波导300还可以包含其他的多层波导层，如二层、四层、五层等，本实施例仅以三层波导层进行说明，但不限于此。

图4是基于图3所示光波导结构的一种光传播调控原理图。从显示引擎10发射的具有一定FOV的光束通过耦入区401衍射后，根据衍射方向的不同分为第一方向光束，第二方向光束，第三方向光束，第四方向光束。第一方向光束、第二方向光束、第三方向光束以及第四方向光束入射至传递区402的角度需要满足角度选择膜的角度选择条件，选择性地反射或透射角度选择膜。需要说明的是，图中第一方向光束的衍射角度不小于第二方向光束衍射角度，第二方向光束的衍射角度不小于第三方向光束衍射角度，第三方向光束衍射角度不小于第四方向光束衍射角度。

在本实施例中，当所有光线通过耦入区401衍射至传递区402，第一方向光束，如光束21，满足第一角度选择膜404的角度选择条件，经第一角度选择膜404的作用后，光束21发生反射，使得该方向的光束在第一波导层进行传播，并从耦出区410出射光束25，其余方向的光束由于不满足第一角度选择膜404的角度选择条件，从而透射进入下一波导层；第二方向光束，如光束22，满足第二角度选择膜406的角度选择条件，经第二角度选择膜406的作用后，光束22发生反射，使得该方向的光束在第一波导层与第二波导层组成的波导层中进行传播，并从耦出区410出射光束25，其余方向的光束由于不满足第二角度选择膜406的角度选择条件，从而透射进入更高层区域；第三方向光束，如光束23，满足第三角度选择膜408的角度选择条件，经过第三角度选择膜408的作用后，光束23发生反射，使得该方向的光束的第一波导层、第二波导层与第三波导层组成的波导层中进行传播，并从耦出区410出射光束25；其余方向的光束(如光束24)不满足第三角度选择膜408的角度选择条件，从而透射进入下一波导层，当其满足下一波导层的角度选择条件时，发生反射，在波导层间进行传播，通过耦出区410出射。

在另一实施例中，光波导400还可以设置为两层，四层或四层以上(记为N)波导层的波导结构，根据具体需求进行合理设置，此处不做限制。可以理解的是，当设置为N层波导时，对应衍射光束应为N方向光束。

值得注意的是，当光波导400设置为二层时，只有一层角度选择膜；当光波导400包含三层及三层以上时，具有多层(两层或两层以上)角度选择膜，且该多个角度选择膜的角度选择不同。

通过设置由一层或多层角度选择膜形成的光波导，将耦合到波导中的光束根据不同的入射衍射角度分为多个方向的光束，通过角度选择膜的角度选择条件，使得不同方向的光束的有效传递厚度不一致，由此补偿传播角度不同的传播周期差异，实现光传播调控从而达到传播周期一致性。同时，经传播一致性调控的光线，由于光束出射的位置一致，将极有利于基于角度选择膜的光波导结构的各区域光栅结构优化，从而达到更优良的显示效果。

上述的光波导及显示装置还可以设置于各种电子设备中，电子设备包括但不限于可穿戴式设备，例如头戴式显示设备。头戴式显示设备包括但不限于增强现实(AugmentedReality，AR)设备或抬头显示器等。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种光波导，其特征在于，包括：

耦入区，用于耦入预设视场方向的光束；

传递区，包括N个波导层，用于传播经所述耦入区耦入的所述光束，其中N≥2；

耦出区，用于出射经所述传递区传播的所述光束；

其中，所述传递区设置于所述耦入区与所述耦出区之间的光路上，所述N个波导层间设置有N-1个不同角度选择的角度选择膜，所述N-1个不同角度选择的角度选择膜选择性反射或透射所述光束使所述光束经所述耦出区同一位置出射。

2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述N个波导层分别用于调控所述光束的传播周期使所述光束的传播周期一致。

3.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦入区和所述耦出区包括衍射光栅或衍射光学元件。

4.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦入区和所述耦出区设置于所述传递区的外表面和/或内表面。

5.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦入区和所述耦出区设置于所述传递区的同一表面或不同表面。

6.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述角度选择膜为介质膜，所述介质膜包括氟化镁。

7.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述传递区的波导层还设置有基材，所述基材包括具有全反射临界角的光学玻璃或光学树脂材料。

8.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的光波导。

9.如权利要求8所述的显示装置，其特征在于，还包括显示引擎，所述显示引擎用于向所述光波导的所述耦入区入射具有预设视场角的入射光束。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的显示装置。

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